(57)【要約】【課題】揚水量をできるだけ変化させずに、異物の詰まりを安定して防止できる。【解決手段】ポンプ制御部１０において、異物検出手段で異物が検出された場合に、誘導電動機３ｃの回転速度を低下させて最高効率点流量Ｑbepを低下させる第１の制御と、配水管４の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行する。誘導電動機３ｃの回転速度の大小や配水管４に流体が流れる際の管路抵抗といった様々な状況によって異物が絡みつく確率が変化しても、その変化を適切に是正した状態で安定的に異物の詰まりを防止できる。【選択図】図１
2006283597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機を備えたポンプと、
前記誘導電動機の回転速度を可変に駆動する回転駆動手段と
前記ポンプからの排水を流す配水管と、
前記回転駆動手段を制御するポンプ制御部と、
異物の詰まりを検出する異物検出手段と、
を備え、
前記ポンプ制御部が、
情報を記憶する記憶手段と、
前記異物検出手段で前記異物が検出された場合に、前記記憶手段内の情報に基づいて、前記誘導電動機の回転速度を低下させる第１の制御と、前記配水管の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行する主制御手段と
を備える電動ポンプ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動ポンプ装置であって、
前記記憶手段が、前記ポンプの吐出し量と前記配水管の前記管路抵抗との相関を意味する第１の相関情報と、前記吐出し量と前記ポンプの揚程との相関を意味する第２の相関情報と、前記回転速度に応じて変化する前記第２の相関情報と前記回転速度との相関を意味する第３の相関情報と、前記ポンプの最高効率点流量と前記回転速度との相関を意味する第４の相関情報とを記憶し、
前記第１の制御を実行する前記主制御手段が、前記異物検出手段により前記異物が検出された場合に、前記回転速度を低下させるよう仮想し、当該仮想された前記回転速度に応じて前記記憶手段内の前記第３の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第２の相関情報を変化させるとともに前記記憶手段内の前記第４の相関情報に基づき最高効率点流量を変化させ、変化された前記第２の相関情報と前記記憶手段内の前記第１の相関情報とを照らして求められる前記吐出し量と、変化された前記最高効率点流量との比が、所定の基準を満たしたときに、前記仮想された前記回転速度を、前記回転駆動手段に実現させるよう出力することを特徴とする電動ポンプ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電動ポンプ装置であって、
前記配水管の前記管路抵抗を変更する管路抵抗調整手段をさらに備え、
前記記憶手段が、前記ポンプの吐出し量と前記配水管の前記管路抵抗との相関を意味する第１の相関情報と、前記吐出し量と前記ポンプの揚程との相関を意味する第２の相関情報と、前記回転速度に応じて変化する前記第２の相関情報と前記回転速度との相関を意味する第３の相関情報と、前記ポンプの最高効率点流量と前記回転速度との相関を意味する第４の相関情報と、前記配水管の開度と前記第１の相関情報との相関を意味する第５の相関情報とを記憶し、
前記第２の制御を実行する前記主制御手段が、前記異物検出手段により前記異物が検出された場合に、前記開度を増加するよう仮想し、仮想された前記開度に応じて前記記憶手段内の前記第５の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第１の相関情報を変化させ、前記回転速度に応じて前記記憶手段内の前記第３の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第２の相関情報を設定するとともに前記記憶手段内の前記第４の相関情報に基づき最高効率点流量を設定し、変化された前記第１の相関情報と設定された前記第２の相関情報とを照らして求められる前記吐出し量と、設定された前記最高効率点流量との比が、所定の基準を満たしたときに、前記仮想された前記開度を、前記管路抵抗調整手段に実現させるよう出力することを特徴とする電動ポンプ装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電動ポンプ装置であって、
前記配水管の前記管路抵抗を変更する管路抵抗調整手段をさらに備え、
前記記憶手段が、前記配水管の開度と前記第１の相関情報との相関を意味する第５の相関情報をさらに記憶し、
前記第２の制御を実行する前記主制御手段が、前記異物検出手段により前記異物が検出された場合に、前記開度を増加するよう仮想し、仮想された前記開度に応じて前記記憶手段内の前記第５の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第１の相関情報を変化させ、変化された前記第１の相関情報と前記変化された前記第２の相関情報とを照らして求められる前記吐出し量と、前記変化された前記最高効率点流量との比が、所定の基準を満たしたときに、前記仮想された前記開度を、前記管路抵抗調整手段に実現させるよう出力することを特徴とする電動ポンプ装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の電動ポンプ装置であって、
前記異物検出手段が、前記回転駆動手段または前記ポンプに供給される電流を検出する電流センサであって、
前記記憶手段が、前記異物の詰まりが発生した場合に前記電流に生じる異常電流パターンを記憶し、
前記主制御手段が、前記電流センサで検出された前記電流と前記記憶手段内の前記異常電流パターンとを比較し、その比較結果に基づいて前記異物が検出された場合に、第１の制御と、前記配水管の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行することを特徴とする電動ポンプ装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の電動ポンプ装置であって、
前記異物検出手段での前記異物の検出がなされた後に、前記異物の検出が解除された時点で、前記主制御手段が、前記第１の制御及び／または前記第２の制御を終了することを特徴とする電動ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、汚水槽等に用いられて流体を排出する電動ポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電動ポンプ装置として、図１７に示すように、貯水槽（汚水槽）１内の底部にアンカーボルト等により固定設置される接続管２と、吐出口３ｂが前記接続管２の一端開口部に連通接続された状態で貯水槽１内の底部に設置されるポンプ３と、前記接続管２の他端開口部に接続された配水管４と、ポンプ３を制御するポンプ制御部１０とを備えたものがある。
【０００３】
上記ポンプ３は、誘導電動機３ｃ及び羽根車３ｄを内蔵しており、誘導電動機３ｃの駆動により羽根車３ｄを回転させて、吸込口３ａから貯水槽１内の汚水を吸込むようになっている。そして、このように吸込まれた汚水は、接続管２から配水管４を通って所定の送水先の貯水槽５まで送水されるようになっている。
【０００４】
ところで、この種の電動ポンプ装置のなかには、上記誘導電動機３ｃの回転速度等をポンプ制御部１０に設けられたインバータによりインバータ制御するものがあり、この誘導電動機３ｃはインバータからの出力周波数に応じた回転速度で駆動することになる。
【０００５】
尚、従来の電動ポンプ装置としては、例えば、特許文献１及び特許文献２が公開されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０４１３４号公報
【特許文献２】特開２００５−０３６７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
汚水槽等に用いられる電動ポンプ装置の場合、吸込口３ａから異物が流入し、その異物がポンプ３内に詰まることがある。したがって、その異物の詰まりを防止することが重要な課題となっている。
【０００８】
上記の特許文献１では、駆動電流が予め設定された第１目標電流値と一致するように出力周波数を可変に制御しながら、その出力周波数が予め設定された出力周波数の下限周波数を下回ったときに、駆動電流の目標値を前記第１目標電流値よりも大きな第２目標電流値に切り換えて出力周波数を可変制御し、電動機からの出力トルクを増大させることで、異物の排出を行っていた。
【０００９】
また、特許文献２では、羽根車３ｄとして、１次羽根と２次羽根といった２つの羽根を用い、両羽根の形状及び配置を工夫することにより、異物の詰まりの防止とポンプ効率の向上との両立を図っている。
【００１０】
しかしながら、本出願人は、様々な実験を行った結果、特許文献１や特許文献２といった方法で異物の詰まりの防止を図っても、異物が詰まる確率が一様に安定していないとの見知を得ることができた。特に、誘導電動機３ｃの回転速度の大小や、配水管４に流体が流れる際の抵抗（管路抵抗）によって、異物が詰まる確率が大きく変化することを発見した。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、ポンプ効率をできるだけ低下させずに、異物の詰まりを安定して防止できる電動ポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、誘導電動機を備えたポンプと、前記誘導電動機の回転速度を可変に駆動する回転駆動手段と前記ポンプからの排水を流す配水管と、前記回転駆動手段を制御するポンプ制御部と、異物の詰まりを検出する異物検出手段と、を備え、前記ポンプ制御部が、情報を記憶する記憶手段と、前記異物検出手段で前記異物が検出された場合に、前記記憶手段内の情報に基づいて、前記誘導電動機の回転速度を低下させる第１の制御と、前記配水管の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行する主制御手段とを備えるものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電動ポンプ装置であって、前記記憶手段が、前記ポンプの吐出し量と前記配水管の前記管路抵抗との相関を意味する第１の相関情報と、前記吐出し量と前記ポンプの揚程との相関を意味する第２の相関情報と、前記回転速度に応じて変化する前記第２の相関情報と前記回転速度との相関を意味する第３の相関情報と、前記ポンプの最高効率点流量と前記回転速度との相関を意味する第４の相関情報とを記憶し、前記第１の制御を実行する前記主制御手段が、前記異物検出手段により前記異物が検出された場合に、前記回転速度を低下させるよう仮想し、当該仮想された前記回転速度に応じて前記記憶手段内の前記第３の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第２の相関情報を変化させるとともに前記記憶手段内の前記第４の相関情報に基づき最高効率点流量を変化させ、変化された前記第２の相関情報と前記記憶手段内の前記第１の相関情報とを照らして求められる前記吐出し量と、変化された前記最高効率点流量との比が、所定の基準を満たしたときに、前記仮想された前記回転速度を、前記回転駆動手段に実現させるよう出力するものである。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電動ポンプ装置であって、前記配水管の前記管路抵抗を変更する管路抵抗調整手段をさらに備え、前記記憶手段が、前記ポンプの吐出し量と前記配水管の前記管路抵抗との相関を意味する第１の相関情報と、前記吐出し量と前記ポンプの揚程との相関を意味する第２の相関情報と、前記回転速度に応じて変化する前記第２の相関情報と前記回転速度との相関を意味する第３の相関情報と、前記ポンプの最高効率点流量と前記回転速度との相関を意味する第４の相関情報と、前記配水管の開度と前記第１の相関情報との相関を意味する第５の相関情報とを記憶し、前記第２の制御を実行する前記主制御手段が、前記異物検出手段により前記異物が検出された場合に、前記開度を増加するよう仮想し、仮想された前記開度に応じて前記記憶手段内の前記第５の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第１の相関情報を変化させ、前記回転速度に応じて前記記憶手段内の前記第３の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第２の相関情報を設定するとともに前記記憶手段内の前記第４の相関情報に基づき最高効率点流量を設定し、変化された前記第１の相関情報と設定された前記第２の相関情報とを照らして求められる前記吐出し量と、設定された前記最高効率点流量との比が、所定の基準を満たしたときに、前記仮想された前記開度を、前記管路抵抗調整手段に実現させるよう出力するものである。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の電動ポンプ装置であって、前記配水管の前記管路抵抗を変更する管路抵抗調整手段をさらに備え、前記記憶手段が、前記配水管の開度と前記第１の相関情報との相関を意味する第５の相関情報をさらに記憶し、前記第２の制御を実行する前記主制御手段が、前記異物検出手段により前記異物が検出された場合に、前記開度を増加するよう仮想し、仮想された前記開度に応じて前記記憶手段内の前記第５の相関情報に基づき前記記憶手段内の前記第１の相関情報を変化させ、変化された前記第１の相関情報と前記変化された前記第２の相関情報とを照らして求められる前記吐出し量と、前記変化された前記最高効率点流量との比が、所定の基準を満たしたときに、前記仮想された前記開度を、前記管路抵抗調整手段に実現させるよう出力するものである。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の電動ポンプ装置であって、前記異物検出手段が、前記回転駆動手段または前記ポンプに供給される電流を検出する電流センサであって、前記記憶手段が、前記異物の詰まりが発生した場合に前記電流に生じる異常電流パターンを記憶し、前記主制御手段が、前記電流センサで検出された前記電流と前記記憶手段内の前記異常電流パターンとを比較し、その比較結果に基づいて前記異物が検出された場合に、第１の制御と、前記配水管の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行するものである。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の電動ポンプ装置であって、前記異物検出手段での前記異物の検出がなされた後に、前記異物の検出が解除された時点で、前記主制御手段が、前記第１の制御及び／または前記第２の制御を終了するものである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１〜請求項４に記載の発明の電動ポンプ装置は、ポンプ制御部が、異物検出手段で異物が検出された場合に、誘導電動機の回転速度を低下させて最高効率点流量を低下させる第１の制御と、配水管の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行するので、誘導電動機の回転速度の大小や配水管に流体が流れる際の管路抵抗といった様々な状況によって異物が詰まる確率が変化しても、その変化を適切に是正した状態で安定的に異物が詰まりを防止できる。即ち、揚水量をできるだけ変化させずに、異物の詰まりを安定して防止できる。
【００１９】
請求項５に記載の発明の電動ポンプ装置は、電流センサで電流を検出するだけで異物の詰まりを容易に検出できるので、異物検出のための大がかりな特別の検出装置を設ける必要が無く便利である。
【００２０】
請求項６に記載の発明の電動ポンプ装置は、異物検出手段で異物の検出がなされた後に、異物の検出が解除された時点で、第１の制御及び／または第２の制御を終了するので、異物の検出が解除された時点で、異物の検出が行われる前のポンプの制御状態に容易に復帰することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜原理＞
本出願人は、インバータによりインバータ制御する電動ポンプ装置の特性を、図１に示す試験装置６を用いて試験した。尚、図１に示した電動ポンプ装置においては、図１７に示した従来の電動ポンプ装置と同一の機能を有する要素については同一符号を付している。この試験装置は、タンク７内に水７ａを貯めておき、その水７ａをポンプ３で配水管４に流した後、当該水７ａを戻し管８を通じて再びタンク７内に戻すもので、その試験結果として得られた電動ポンプ装置の特性を図２に示す。
【００２２】
この図２は所定の回転速度（インバータからの出力周波数が一定）におけるポンプ３のＱ−Ｈ特性（吐出し量−揚程特性）と、当該ポンプ３のＱ−η特性（吐出し量−ポンプ効率特性）を示す図であって、横軸が配水管４からの吐出し量Ｑ（m3／min）を、縦軸が全揚程Ｈ（m）及びポンプ効率ηを意味している。尚、全揚程は、送水元の水位と送水先の水位との水位差である実揚程と、管路抵抗等（即ち、接続管２や配水管４等での損失）等との合計である。
【００２３】
具体的に、図２中の符号Ｌ１１〜Ｌ１３は、誘導電動機３ｃの回転速度を３種類に変化させた場合のそれぞれについてのＱ（吐出し量）−Ｈ（揚程）特性線（第２の相関情報）であり、このうち、誘導電動機３ｃの回転速度が最も速い６０Ｈｚの場合が線Ｌ１１、同じく回転速度が４２Ｈｚの場合が線Ｌ１２、同じく回転速度が最も遅い２４Ｈｚの場合が線Ｌ１３となっている。各Ｑ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３は右下がりの曲線となっているが、誘導電動機３ｃの回転速度が低下するほど左下方へ推移する。
【００２４】
また、図２中の符号Ｌ２１〜Ｌ２３は、誘導電動機３ｃの回転速度を３種類に変化させた場合のそれぞれについてのＱ（吐出し量）−η（ポンプ効率）特性線である（これについては後述する）。
【００２５】
さらに、図３は、Ｑ（吐出し量）−P（軸動力）特性線であり、横軸は配水管４からの吐出し量Ｑ（m3／min）を、縦軸が軸動力（kW）をそれぞれ意味している。この３つのＱ−P特性線Ｌ３１〜Ｌ３３のうち、Ｑ−P特性線Ｌ３１は誘導電動機３ｃの回転速度についてＱ−Ｈ特性線Ｌ１１と同一の条件下（周波数＝６０Ｈｚ）で測定され、Ｑ−P特性線Ｌ３２は誘導電動機３ｃの回転速度についてＱ−Ｈ特性線Ｌ１２と同一の条件下（周波数＝４２Ｈｚ）で測定され、Ｑ−P特性線Ｌ３３は誘導電動機３ｃの回転速度についてＱ−Ｈ特性線Ｌ１３と同一の条件下（周波数＝２４Ｈｚ）で測定されたものである。図３の通り、回転速度が低下する程、軸動力が低下することが分かる。尚、各Ｑ−P特性線Ｌ３１〜Ｌ３３においてプロットされた黒丸、黒三角及び黒四角のマークは、横軸の吐出し量Ｑ（m3／min）に関して、それぞれ対応するＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３と同一の条件下で測定されている。
【００２６】
ここで図２に戻り、Ｑ−η特性線Ｌ２１〜Ｌ２３の縦軸が意味するポンプ効率ηの意味を説明すると、このポンプ効率ηとは、図３に示した実際の軸動力Pに対する理論動力（Pw＝ρgＱＨ [N・m/s]：ただし、ρは流体密度（水密度）、gは重力加速度、Ｑは流量、Ｈは揚程を意味する）の比（＝Pw／P）を百分率で示したものを言う。
【００２７】
各Ｑ−η特性線Ｌ２１〜Ｌ２３のうち、Ｑ−η特性線Ｌ２１は誘導電動機３ｃの回転速度についてＱ−Ｈ特性線Ｌ１１及びＱ−P特性線Ｌ３１と同一の条件下（周波数＝６０Ｈｚ）で測定され、Ｑ−η特性線Ｌ２２は誘導電動機３ｃの回転速度についてＱ−Ｈ特性線Ｌ１２及びＱ−P特性線Ｌ３２と同一の条件下（周波数＝４２Ｈｚ）で測定され、Ｑ−η特性線Ｌ２３は誘導電動機３ｃの回転速度についてＱ−Ｈ特性線Ｌ１３及びＱ−P特性線Ｌ３３と同一の条件下（周波数＝２４Ｈｚ）で測定されたものである。即ち、３つのＱ−η特性線Ｌ２１〜Ｌ２３のうち、誘導電動機３ｃの回転速度が最も速い場合が線Ｌ２１、誘導電動機３ｃの回転速度が最も遅い場合が線Ｌ２３である。各Ｑ−η特性線Ｌ２１〜Ｌ２３はそれぞれ放物線となっているが、誘導電動機３ｃの回転速度が低下するほど左方へ推移する。そして、これに伴って、最高効率点Ｐｍ１〜Ｐｍ３が左方（小流量側）にシフトすることが図２から分かる。
【００２８】
また、各Ｑ−η特性線Ｌ２１〜Ｌ２３においてプロットされた黒丸、黒三角及び黒四角のマークは、横軸の吐出し量Ｑ（m3／min）に関して、それぞれ対応するＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３及びＱ−P特性線Ｌ３１〜Ｌ３３と同一の条件下で測定されている。
【００２９】
さらに、図２中の符号Ｌ４１は、配水管４に流体が流れる際の抵抗（管路抵抗）が誘導電動機３ｃの回転速度によって変化する様子を示した管路抵抗曲線（第１の相関情報）である。この管路抵抗は、近似的に吐出し量Ｑの二乗に比例する値であるが、配水管４の管形状や管径等によって、曲線自体の傾斜等が変動するようになっている。
【００３０】
そして、本出願人は、図１に示す試験装置６を用いて、例えば小タオル、大タオル、ストッキング等の様々なサイズの複数種類の異物をポンプ３の吸込口３ａに吸い込ませて、それらの異物が配水管４及び戻し管８を通じて再びタンク７内に排出されるか否かを実験した。その結果例を図４〜図７に、またそれらの平均値を図８に示す。図４〜図８における横軸は、図２中の最高効率点Ｐｍ１〜Ｐｍ３における吐出し量Ｑbep１〜Ｑbep３（これらを総称して、以下「最高効率点流量Ｑbep」と称す）に対する実際の試験における吐出し量Ｑの比率（Ｑ／Ｑbep：以下「流量比」と称す）を意味しており、縦軸は、異物が配水管４及び戻し管８を通じて再びタンク７内に排出される確率（α：以下「通過率」と称す）を意味している。即ち、通過率αが高い値を示している場合は、異物が詰まる確率が低い一方、通過率αが低い値を示している場合は、異物が詰まる確率が高いことを意味している。また、図４は比較的小さなサイズの異物、図６は比較的大きくて変形しやすい異物、図５及び図７は中位のサイズで変形しやすい異物について実験を行った結果である。
【００３１】
この試験では、吐出し量Ｑを、各最高効率点流量Ｑbepに対して、１．６倍、１．０倍及び０．４倍の３態様に分けて測定を行った。図４〜図７を見て分かる通り、流量比（Ｑ／Ｑbep）が１．０以上の場合は、いずれの異物においても通過率αが比較的高い値を示しているのに対して、流量比（Ｑ／Ｑbep）が０．４の場合は、図４に示した結果のみ比較的高い値を示しているものの、図５〜図７に示した結果では、いずれの異物においても通過率αが極めて低い値を示している。このため、図８に示した平均的な通過率αとしては、流量比（Ｑ／Ｑbep）が１．０以上の場合に比べて、流量比（Ｑ／Ｑbep）が０．４の場合、極めて通過率αが低くなっている。このことは、最高効率点流量Ｑbepよりも低い吐出し量Ｑの状態では、異物が詰まる確率が急激に増大することを意味している。
【００３２】
このことを考慮すると、異物が詰まった際に、最高効率点流量Ｑbepの近傍以上の吐出し量を実現するように制御すれば、その詰まった異物を、概ね、配水管４を通じて外部に流し出すことが可能であると考えられる。ただし、最高効率点流量Ｑbepは、上述のように、誘導電動機３ｃの回転速度によって大きく変化する（図２）。したがって、この実施の形態では、誘導電動機３ｃの回転速度と最高効率点流量Ｑbepとの関係を予め記憶手段に記憶しておき、異物が詰まった際に、その実際の回転速度に応じて最高効率点流量Ｑbepの近傍以上の吐出し量を実現するように制御する（第１の制御）。
【００３３】
＜構成＞
図９は本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置を示すブロック図である。尚、図９及びそれ以降の図においては、従来（例えば特許文献２）の電動ポンプ装置と同一の機能を有する要素については同一符号を付している。
【００３４】
この電動ポンプ装置は、例えば汚水処理用に使用されるもので、図９の如く、ポンプ３と、このポンプ３の誘導電動機３ｃをその回転速度を可変に駆動する回転駆動手段としてのインバータ回路１００と、商用電源２００からの交流電流を直流電流に変換してインバータ回路１００に供給する整流回路３００と、整流回路３００からの直流電流を検出する電流センサ４００と、インバータ回路１００を制御するポンプ制御盤（ポンプ制御部）５００と、配水管４に設置されて当該配水管４の管路抵抗を変更する管路抵抗調整装置（管路抵抗調整手段）６００を備える。
【００３５】
ポンプ３は、例えば特許文献２に記載されたものと同様のものが使用されている。具体的に、このポンプ３は、図１０の如く、羽根車３ｄと、羽根車３ｄを覆うポンプケーシング１２と、羽根車３ｄを回転させる密閉型の水中モータ１３とを備えている。
【００３６】
水中モータ１３は、ステータ１４及びロータ１５からなる誘導電動機３ｃと、誘導電動機３ｃを覆うモータケーシング１７とを備えている。ロータ１５の中心部には、上下方向に延びる駆動軸１８が固定されている。駆動軸１８の上端部とやや下側の中途部とは、軸受１９，２０によってそれぞれ回転自在に支持されている。駆動軸１８の下端部は、羽根車３ｄと連結されている。尚、誘導電動機３ｃとしては、一般的な三相ＤＣモータ等が適用される。
【００３７】
ポンプケーシング１２の内部には、断面が半円状に窪んだ内壁２５によって区画されたポンプ室２６が形成されている。羽根車３ｄの吐出部２８（図１１参照）は、このポンプ室２６に収容されている。ポンプケーシング１２の下部には、下方に突出した吸込部２１が形成されている。吸込部２１には、下方に開口した吸込口３ａが形成されている。ポンプケーシング１２の側部には、側方に突出した吐出部２３が形成されている。吐出部２３には、側方に開口した吐出口２４が形成されている。
【００３８】
図１１に示すように、羽根車３ｄには、軸方向の下側から上側に向かって順に、吸込部２７と吐出部２８とが設けられている。吸込部２７及び吐出部２８は、いずれも略円筒形状に形成されており、吐出部２８は吸込部２７よりも大径に構成されている。吐出部２８と吸込部２７とは、羽根車３ｄの外周面から外方に突出したフランジ部４０によって仕切られている。
【００３９】
図１２に示すように、吸込部２７の下端には、下方に開口した吸込口２９が設けられている。図１１に示すように、吐出部２８の上側は、上端壁３０によって覆われている。つまり、羽根車３ｄの上側は上端壁３０によって密閉されている。
【００４０】
上端壁３０の中心部には、駆動軸１８の先端を挿入する穴３２が形成されており、この穴３２の周囲部分は駆動軸１８を取り付けるための取付部３１を構成している。上端壁３０の一部（ここでは、上端壁３０の半分）は下方に窪んでいる。これは、羽根車３ｄの全体の重量バランスを均一化し、回転の安定性を高めるためである。すなわち、上端壁３０の一方の側（羽根車３ｄの重量の大きな側）は、削り取られたような形状に形成されている。
【００４１】
図１３に示すように、吐出部２８の側方には、吐出口３４が形成されており、羽根車３ｄの内部には、図１０及び図１２の如く、吸込口２９から吐出口３４に至る螺旋状の１次流路３５が区画形成されている。そして、この１次流路３５を区画している区画壁が１次羽根３６として機能する。なお、図１３の如く、吐出口３４は１次流路３５の螺旋状の流路の延長方向に向かって開口している。
【００４２】
吐出部２８の外周面の一部は、外周面に沿って内側に削り取られたような形状に形成され、吐出部２８における１次流路３５の下流側の外周面には、内側に窪んだ流路３７が形成されている。つまり、吐出部２８の外周面の一部には、１次流路３５に連続する２次流路３７が形成されている。本明細書では、この２次流路３７を区画している区画壁を２次羽根３８と称する。
【００４３】
２次流路３７は、非螺旋状の流路であり、その流路中心は軸方向と直交する同一面内に位置している。すなわち、２次羽根３８はいわゆる半径流形の羽根であり、汚水を軸方向と直交する方向（径方向外側）に吐出するように形成されている。２次流路３７の流路幅は、下流側に行くに従って細くなっている。２次羽根３８の厚みも下流側に行くに従って薄くなっている。この２次流路３７は半周以上の長さにわたって吐出部２８を周回している。２次流路３７の下流端は、吐出口３４の近傍にまで延びている。
【００４４】
このように、羽根車３ｄの吸込口３ａから吐出口３４に至る流路を螺旋状に形成することで、羽根車３ｄ内部において異物が絡みつきにくくなる。また、２次羽根３８を設けることによって、螺旋状流路に連続する２次流路３７を形成したので、ポンプ効率を向上させることができる。したがって、異物の通過性向上とポンプ効率の向上との両立を図ることが可能となる。また、２次羽根３８の形状が羽根車３ｄの外周部分の一部を内側に削ったように形成されているので、２次羽根３８を持たない羽根車３ｄに比べて軽量化を図ることができる。
【００４５】
インバータ回路１００は、整流回路３００から与えられる直流電流を、ポンプ制御盤５００からの制御信号に応じた周波数及び出力電圧で、誘導電動機３ｃ（三相ＤＣモータ）の各相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に対応した擬似的な交流電流に変換し、誘導電動機３ｃを任意の回転速度で駆動する。
【００４６】
整流回路３００は、商用電源２００からの交流電流を直流電流に変換してインバータ回路１００に供給する。
【００４７】
電流センサ４００は、異物の絡みつき及び詰まりを検出する異物検出手段として機能するもので、例えばシャント抵抗等が適用され、整流回路３００からインバータ回路１００に与えられる電流レベルを電圧に変換してポンプ制御盤５００に入力する。
【００４８】
ポンプ制御盤５００は、電流検出部５０１と、記憶装置（記憶手段）５０２と、主制御部（主制御手段）５０３と、インバータ制御部５０４とを備える。
【００４９】
電流検出部５０１は、電流センサ４００から入力されたアナログ電圧をＡ（アナログ）／Ｄ（デジタル）変換して、これを整流回路３００からインバータ回路１００に供給された電流の値（以下、「検出電流値」と称す）を意味するデジタル信号として主制御部５０３に入力する。
【００５０】
記憶装置５０２は、例えばフラッシュメモリ等の書き換え可能な不揮発性記憶装置等の記憶媒体が適用されたもので、主制御部５０３の動作手順を規定したソフトウェアプログラムの他、上記の管路抵抗曲線Ｌ４１（第１の相関情報）、Ｑ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３（第２の相関情報）及び最高効率点流量Ｑbepと、後述する「配水管開度と管路抵抗曲線との相関（第５の相関情報）」、「異常電流パターン（後述）」、「回転速度とＱ−Ｈ特性線との相関（第３の相関情報）」及び「回転速度と最高効率点流量との相関（第４の相関情報）」とが予め格納されている。尚、これらのデータは、数値、数式または数値が羅列されたデータテーブル等のいかなる形式で記憶装置５０２内に保持されても差し支えないものである。
【００５１】
主制御部５０３は、ＲＡＭ等が接続された一般的なコンピュータのＣＰＵ（マイクプロセッサ）が適用され、記憶装置５０２内に格納されたソフトウェアプログラムによって動作する機能部品である。
【００５２】
この主制御部５０３は、上述のソフトウェアプログラムによって定義された機能として、図１４の如く、電流検出部５０１から与えられた検出電流値に基づいて異物の絡みつきまたは詰まりを判断する異物判断機能部５１１と、この異物判断機能部５１１で異物の絡みつきまたは詰まりを検知したときに、上記した第１の制御を実行する第１の制御機能部５１２と、上記した第２の制御を実行する第２の制御機能部５１３とを備える。
【００５３】
主制御部５０３の異物判断機能部５１１は、記憶装置５０２内に格納された「異常電流パターン」を読み出して、検出電流値と「異常電流パターン」とを比較し、検出電流値の変化が「異常電流パターン」に適合した場合に、異物の絡みつきまたは詰まりが発生したと判断する。ここで、「異常電流パターン」とは、異物の絡みつきまたは詰まりが発生した場合に、整流回路３００からインバータ回路１００に与えられる電流に生じる特徴的な電流パターンを意味しており、例えば、電流が急激に上昇するようなパターン（即ち、電流の絶対値が所定の値を超えるようなパターン）をいう。誘導電動機３ｃによって羽根車３ｄが回転を行っている際に、異物の絡みつきまたは詰まりが発生した場合、誘導電動機３ｃにトルクの変動が起こり、これにより誘導電動機３ｃの回転速度が変動し、これが原因となって、誘導電動機３ｃ内のコイルで逆起電力が発生する。そしてこれが、整流回路３００からインバータ回路１００に供給される電流の変動となって現れる。したがって、その電流の変動を電流センサ４００及び電流検出部５０１で検出して、記憶装置５０２内に格納された「異常電流パターン」と比較するようにして主制御部５０３で監視することにより、主制御部５０３において異物判断を行うことができる。この場合、例えば、電流センサ４００及び電流検出部５０１で検出された電流が、記憶装置５０２内に「異常電流パターン」として格納された基準値を超える場合に、主制御部５０３の異物判断機能部５１１は、異物の絡みつきまたは詰まりが発生したと判断する。
【００５４】
主制御部５０３の第１の制御機能部５１２は、インバータ制御部５０４を通じてインバータ回路１００を制御することで誘導電動機３ｃの回転速度を任意に変化させ、上述の最高効率点流量Ｑbepの近傍以上の吐出し量を実現するように制御する。
【００５５】
具体的に、この第１の制御機能部５１２は、まず記憶装置５０２内に格納された「配水管開度と管路抵抗曲線との相関」、「回転速度とＱ−Ｈ特性線との相関」及び「回転速度と最高効率点流量との相関」を読み出す。そして後述の第２の制御機能部５１３で設定された配水管４の開度を前提として、その開度に対する管路抵抗曲線Ｌ４１（図２）を「配水管開度と管路抵抗曲線との相関」に基づいて求める。また、回転速度を仮想的に徐々に低下させていき、「回転速度とＱ−Ｈ特性線との相関」に基づいてＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３を図２における左下方（小流量側）に徐々に変化させるとともに、「回転速度と最高効率点流量との相関」に基づいて最高効率点流量Ｑbepを図２における左方（小流量側）に徐々に変化させる。そして、管路抵抗曲線Ｌ４１とＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３との交点の吐出し量Ｑと、最高効率点流量Ｑbepとの比（即ち、流量比Ｑ／Ｑbep：図５〜図８参照）が、所定の基準比率値（例えば０．９）以上となった時点で、そのときの回転速度及び吐出し量Ｑを実現するよう、インバータ制御部５０４を通じてインバータ回路１００を制御することで誘導電動機３ｃの回転速度を調整する（かかる調整を以下「シミュレーション調整」と称す）。
【００５６】
ただし、第２の制御機能部５１３で設定された配水管４の開度を前提とした場合に、管路抵抗曲線Ｌ４１とＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３との交点の吐出し量Ｑと、最高効率点流量Ｑbepとの比（即ち、流量比Ｑ／Ｑbep：図５〜図８参照）が、所定の基準比率値（例えば０．９）以上となる解が得られなかった場合は、仮想的に管路抵抗曲線Ｌ４１を図２中の矢示Ｒ１方向に少しずつ変化させながら、上記のシミュレーション調整を繰り返し行う。そして、管路抵抗曲線Ｌ４１とＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３との交点の吐出し量Ｑと、最高効率点流量Ｑbepとの比（即ち、流量比Ｑ／Ｑbep：図５〜図８参照）が、所定の基準比率値（例えば０．９）以上となる解が得られた時点で、そのときの配水管４の開度の調整指示の信号を第２の制御機能部５１３出力するとともに、そのときの回転速度及び吐出し量Ｑを実現するよう、インバータ制御部５０４を通じてインバータ回路１００を制御することで誘導電動機３ｃの回転速度を調整する。
【００５７】
尚、この第１の制御機能部５１２が機能する前提として、異物判断機能部５１１によって異物の絡みつきまたは詰まりが判断された場合に限定されるようになっており、異物判断機能部５１１によって異物の絡みつきまたは詰まりが回避または解除された場合には、誘導電動機３ｃの回転速度をそれ以前の状態に復帰させるようになっている。
【００５８】
主制御部５０３の第２の制御機能部５１３は、配水管４の開度を変更するよう管路抵抗調整装置６００に指令を与えるとともに、その開度の情報を第１の制御機能部５１２に出力するとともに、第１の制御機能部５１２から開度の調整指示の信号が与えられたときに、開度を実現するように管路抵抗調整装置６００を制御する。尚、この第２の制御機能部５１３が機能する前提として、異物判断機能部５１１によって異物の絡みつきまたは詰まりが判断された場合に限定されるようになっており、異物判断機能部５１１によって異物の絡みつきまたは詰まりが回避または解除された場合には、配水管４の開度をそれ以前の状態に復帰させるようになっている。
【００５９】
インバータ制御部５０４は、インバータ回路１００内に設けられた各相のハイサイド及びローサイドのスイッチング素子をオンオフ制御するためのゲート制御信号を出力する出力回路であり、オンオフ制御の周波数やデューティ比等を任意に変化させることで、誘導電動機３ｃの回転速度を任意に変化させるようになっている。
【００６０】
管路抵抗調整装置６００は、配水管４の管路抵抗が、大径のときに低くなり、小径のときに高くなることを利用して、予め大径に設定しておいた配水管４の一部の開度を調整する電磁式開度調整弁であり、主制御部５０３の第２の制御機能部５１３からの指令に従って電磁誘導により配水管４の一部の開度を任意に変更するようになっている。尚、管路抵抗調整装置６００により配水管４の開度を高く変更した場合には、図２中の管路抵抗曲線Ｌ４１は、実線で表示した状態から傾斜角度が緩やかな例えば一点鎖線のような状態に変化するものである。
【００６１】
＜動作＞
上記構成の電動ポンプ装置の動作を図１５及び図１６のフローチャートに沿って説明する。まず、図１５に示したステップＳ０１において、電流センサ４００で検出された整流回路３００からの直流電流は、ポンプ制御盤５００の電流検出部５０１でＡ／Ｄ変換されて、「検出電流値」を意味するデジタル信号として主制御部５０３に入力される。
【００６２】
主制御部５０３の異物判断機能部５１１（図１４）は、ステップＳ０２において、記憶装置５０２内に格納された「異常電流パターン」を読み出し、続くステップＳ０３において、電流検出部５０１から与えられた検出電流値と「異常電流パターン」とを比較する。
【００６３】
このステップＳ０３で、検出電流値の変化が「異常電流パターン」に適合しなかった場合は、異物の絡みつきまたは詰まりが発生ていないと判断し、ステップＳ０４に進んで、通常のインバータ制御を継続する。
【００６４】
一方、ステップＳ０３において、検出電流値の変化が「異常電流パターン」に適合した場合は、異物の絡みつきまたは詰まりが発生したと判断し、ステップＳ０５に進む。
【００６５】
ここで、ステップＳ０５〜Ｓ１０は上記の「シミュレーション調整」を表す工程である。
【００６６】
まずステップＳ０５において、主制御部５０３の第１の制御機能部５１２（図１４）は、記憶装置５０２内に格納された「配水管開度と管路抵抗曲線との相関」、「回転速度とＱ−Ｈ特性線との相関」及び「回転速度と最高効率点流量との相関」を読み出す。
【００６７】
そしてステップＳ０６で、第２の制御機能部５１３で設定された配水管４の開度を前提として、「配水管開度と管路抵抗曲線との相関」に基づいて、その開度に対する管路抵抗曲線Ｌ４１（図２）を求める。
【００６８】
次に、ステップＳ０７において、回転速度を仮想的に低下させる。即ち、この時点では、実際にインバータ回路１００で回転速度を低下させるのではなく、主制御部５０３の第１の制御機能部５１２内での演算上で回転速度を低下させるようなシミュレーションを行う。
【００６９】
この場合、ステップＳ０８で、回転速度が、インバータ回路１００によって実現可能な範囲の打合せの下限限界であるかどうかを判断する。そして、下限限界よりも上回っている場合は、ステップＳ０９に進む（下限限界以下の場合は後述する）。
【００７０】
ステップＳ０９では、その演算上での回転速度に対して、「回転速度とＱ−Ｈ特性線との相関」に基づいてＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３を図２における左下方（小流量側）に変化させるとともに、「回転速度と最高効率点流量との相関」に基づいて最高効率点流量Ｑbepを図２における左方（小流量側）に変化させる。
【００７１】
そして、ステップＳ１０において、管路抵抗曲線Ｌ４１とＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３との交点の吐出し量Ｑを仮想的に求め、ステップＳ１１に進む。
【００７２】
ステップＳ１１では、検出電流値が定格電流以内であるか否かを判断し、検出電流値が定格電流外であると判断した場合は、ステップＳ１２に進んで、所定の警報手段（例えば警報ブザーや警報ランプ等）で警報を行って、電動ポンプ装置の制御を停止する。
【００７３】
一方、ステップＳ１１で検出電流値が定格電流以内であると判断された場合は、次のステップＳ１３に進む。
【００７４】
ステップＳ１３では、電動ポンプ装置のユーザーから要求されたＱ−Ｈ特性線等の仕様を満足しているか否かを判断する。そして、要求されたＱ−Ｈ特性線等の仕様を満足していないと判断した場合は、ステップＳ１２に進んで、所定の警報手段（例えば警報ブザーや警報ランプ等）で警報を行って、電動ポンプ装置の制御を停止する。
【００７５】
一方、ステップＳ１３で、要求されたＱ−Ｈ特性線等の仕様を満足していると判断した場合は、次のステップＳ１４に進む。
【００７６】
ステップＳ１４では、そのときの回転速度及び吐出し量Ｑを実現するよう、インバータ制御部５０４を通じてインバータ回路１００を制御することで誘導電動機３ｃの回転速度を制御する。
【００７７】
しかる後、ステップＳ０１に戻って、それまでの処理（即ち、ステップＳ０１〜ステップＳ１４）を繰り返す。
【００７８】
そうすると、誘導電動機３ｃの回転速度の低下により最高効率点流量Ｑbepが低下し、よって流量比Ｑ／Ｑbepが向上することから、絡みつきそうになったり詰まりそうになっていた異物が概ね配水管４から排出される。こうして、異物が排出された時点で、ステップＳ０３において、検出電流値が「異常電流パターン」に適合しなくなる。したがって、通常のインバータ制御に復帰すればよい。
【００７９】
ここで、上述のように、異物の詰まりが発生しており、ステップＳ０１〜Ｓ１４のように徐々に回転速度を低下させていく過程で、上述のステップＳ０８において、回転速度が下限限界以下になった場合は、図１６のステップＳ１５に進む。
【００８０】
ステップＳ１５では、配水管４の開度を、主制御部５０３の演算上で開側に仮想的に変化させる。そして、ステップＳ１６で、仮想的に変化させた配水管４の開度に応じて、管路抵抗曲線Ｌ４１を図２中の矢示Ｒ１方向に変更する。
【００８１】
このように管路抵抗曲線Ｌ４１を変更した状態で、ステップＳ１７において、その管路抵抗曲線Ｌ４１とＱ−Ｈ特性線Ｌ１１〜Ｌ１３との交点の吐出し量Ｑを仮想的に求め、続くステップＳ１８で、流量比Ｑ／Ｑbep（図５〜図８参照）が、所定の基準比率値（例えば０．９）以上であるか否かを判断する。
【００８２】
このステップＳ１８において、流量比Ｑ／Ｑbepが、所定の基準比率値未満であると判断した場合は、ステップＳ１５に戻り、さらに配水管４の開度を仮想的に変化させ、ステップＳ１５〜Ｓ１８の処理を繰り返す。
【００８３】
このようにステップＳ１５〜Ｓ１８の繰り返しにおいて、ステップＳ１８で流量比Ｑ／Ｑbepが所定の基準比率値以上であると判断できた時点で、ステップＳ１９に進む。そして、そのときの仮想的な回転速度を実現するよう、インバータ制御部５０４を通じてインバータ回路１００を制御するとともに、主制御部５０３の第２の制御機能部５１３で、そのときの仮想的な配水管４の開度を実現するよう管路抵抗調整装置６００に指令を与えるそうすると、管路抵抗調整装置６００は、主制御部５０３の第２の制御機能部５１３からの指令に従って、電磁誘導により配水管４の一部の開度を変更する。
【００８４】
そうすると、絡みつきそうになったり詰まりそうになっていた異物が概ね配水管４から排出される。こうして、異物が排出された時点で、ステップＳ０３において、検出電流値が「異常電流パターン」に適合しなくなる。したがって、通常のインバータ制御に復帰する。
【００８５】
以上のように、ポンプ制御部１０において、異物検出手段で異物が検出された場合に、誘導電動機３ｃの回転速度を低下させて最高効率点流量Ｑbepを低下させる第１の制御と、配水管４の管路抵抗を低下させる第２の制御のうちの少なくとも一方を実行するので、誘導電動機３ｃの回転速度の大小や配水管４に流体が流れる際の管路抵抗といった様々な状況によって異物が絡みつく確率が変化しても、その変化を適切に是正した状態で安定的に異物が詰まりを防止できる。即ち、揚水量をできるだけ変化させずに、異物の詰まりを安定して防止できる。
【００８６】
また、電流センサ４００で電流を検出するだけで異物の詰まりを容易に検出できるので、異物検出のための大がかりな特別の検出装置を設ける必要が無く便利である。
【００８７】
さらに、電流センサ４００で異物の検出がなされた後に、異物の検出が解除された時点で、第１の制御及び／または第２の制御を終了するので、異物の検出が解除された時点で、異物の検出が行われる前のポンプ３の制御状態に容易に復帰することができる。
【００８８】
尚、上記実施の形態では、先に誘導電動機３ｃの回転速度を徐々に低下させ、その回転速度が下限限界に到達した時点で、管路抵抗曲線Ｌ４１を徐々に変化させるようにしていたが、逆に、先に管路抵抗曲線Ｌ４１を徐々に変化させ、この下限限界に到達した時点で、誘導電動機３ｃの回転速度を徐々に低下させていってもよい。この場合は、上記実施の形態に比べて、誘導電動機３ｃの回転速度を下限限界に到達させる必要がなくなる可能性があるため、上記実施の形態よりも実際の吐出し量Ｑを低下させることなく異物を排出できることがあり得るため便利である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置を試験するための試験装置を示した模式図である。
【図２】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置の動作中の変化特性を示す図である。
【図３】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置の軸動力と吐出し量との関係を示す図である。
【図４】最高効率点流量に対する実際の吐出し量の比と異物の通過率との関係を試験した試験結果の一例を示す図である。
【図５】最高効率点流量に対する実際の吐出し量の比と異物の通過率との関係を試験した試験結果の他の例を示す図である。
【図６】最高効率点流量に対する実際の吐出し量の比と異物の通過率との関係を試験した試験結果のさらに他の例を示す図である。
【図７】最高効率点流量に対する実際の吐出し量の比と異物の通過率との関係を試験した試験結果のさらに他の例を示す図である。
【図８】最高効率点流量に対する実際の吐出し量の比と異物の通過率との関係を試験した試験結果の平均値を示す図である。
【図９】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置を示すブロック図である。
【図１０】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置のポンプを示す断面図である。
【図１１】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置のポンプの羽根車を示す斜視図である。
【図１２】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置のポンプの羽根車を示す斜視図である。
【図１３】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置のポンプの羽根車を示す側面図である。
【図１４】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置の主制御部を示す機能ブロック図である。
【図１５】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の一の実施の形態に係る電動ポンプ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１７】電動ポンプ装置の使用状態を例示した模式図である。
【符号の説明】
【００９０】
３  ポンプ
３ｃ  誘導電動機
３ｄ  羽根車
４  配水管
１０  ポンプ制御部
１００  インバータ回路
１２  ポンプケーシング
３００  整流回路
４００  電流センサ
５００  ポンプ制御部
５０１  電流検出部
５０２  記憶装置
５０３  主制御部
５０４  インバータ制御部
５１１  異物判断機能部
５１２  第１の制御機能部
５１３  第２の制御機能部
６００  管路抵抗調整装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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